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www妹妹要avcom _杨培东的疯狂计划:用“人工光合作用”实现人类“火星移民”

在太阳系八大行星中,火星的尺寸是介于地球与月亮之间,火星的表面积为1.44亿平方千米,约为地球直径的53%,火星的质量仅为地球的1/10。

火星也和地球一样,自东向西的自转,因此在火星也会看到群星东升西落。火星自转一周历时需24小时30分钟,所以火星比地球只多了半个小时。不光时间相同,火星上的季节也和地球相同。当然,由于火星年比地球年长,所以火星上每个季节的时间几乎要比地球上的每个季节长一倍。

杨培东的疯狂计划:用“人工光合作用”实现人类“火星移民”


火星也和地球气候很像根据气候状况的差异,整个地球刻划分为“五带”:热带、北温带、南温带、北寒带和南温带。火星亦可分为同样的“五带”。

所以,随着人们对于火星的不断了解,人们便诞生了移民火星的想法,为了实现这个目标,无数的科学家前赴后继。其中就包括杨培东。

很多人并不熟悉杨培东,杨培东是诺贝尔奖的热门陪跑人选,2014年,作为汤森路透集团预测的热门人选——杨培东与当年的诺贝尔化学奖擦肩而过!

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汤森路透集团掌握着全世界最大的科研数据库之一 Web of Science ,这一数据库可以调用 1898 年至今的近 260 万份论文数据,数据库中最丰富的是生理医学、物理、化学与经济这四大领域,和诺贝尔奖项分类有着天然契合之处。所以从 25 年前开始,汤森路透集团就一直会对每年的诺奖人选进行预测,而且准确率很高。

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杨培东曾入选当今全球最为顶级的十大化学家之一,当今排名第一的材料科学家,杨培东在半导体纳米线、原子组装方面具有开创性研究,并有望应用于一系列高技术设备,如微型发光二极管、激光器,到晶体管、计算机电路、太阳能电池板以及生物传感器等领域。比如杨培东团队在只及人类头发丝千分之一的纳米导线上制造出了世界上最小的激光器——纳米激光器,这一发明将有可能用于未来的光子计算机。他还创建了上海科技大学物质科学与技术学院。

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杨培东最伟大的成就之一就是人工光合作用,而他想要把这项技术运用到人类火星移民计划。

光合作用,通常是指绿色植物(包括藻类)吸收光能,把二氧化碳和水合成富能有机物,同时释放氧气的过程。其主要包括光反应、暗反应两个阶段, 涉及光吸收、电子传递、光合磷酸化、碳同化等重要反应步骤,对实现自然界的能量转换、维持大气的碳-氧平衡具有重要意义。

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光合作用是整个生物圈的物质基础和能量基础,生物圈是生物与环境构成的一个统一的整体,是最大的生态系统,它包括了地球上所有的生物及其生存的全部环境,人类也是光合作用的一环。换句话说,没有光合作用就没有人类的生存和发展。

1771年,英国牧师、化学家普利斯特利进行密闭钟罩试验。他发现有植物存在的密闭钟罩内蜡烛不会熄灭,老鼠也不会窒息死亡。于是在1776年,他提出植物可以“净化”空气。但是他不能多次重复他的实验,即表明植物并不总是能够使空气“净化”。

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荷兰医生英根豪茨在普利斯特利研究的基础上进行了多次实验,发现普利斯特利实验不能多次重复的原因是他忽略了光的作用,植物只有在光下才能“净化”空气。这是真正第一次人类认识光合作用,我们一般把1771年定为光合作用的发现年。

而随着对光合作用的认识以及利用逐步加深,科学家就开始思考能不能能不能人工模拟光合作用。上个世纪 70 年代,科学家开始尝试通过人工模拟光合作用储存太阳能,而到了 90 年代,科学家的人工模拟光合作用就开始尝试光敏色素、电子给体和受体共价键结合的体系。

吸收红光-远红光可逆转换的光受体(色素蛋白质),称之为光敏色素。广泛存在于绿色植物之中,而共价键的作用则是代替生物蛋白。

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到目前为止,我们指的人工光合作用技术是指研究人员仿效自然界的光合作用,利用纳米大小的光感应材料将光能转换成电能,由此产生氧化还原酶反应。简而言之,这是一种利用光能生成精密化学物质的技术。人工光合作用其实也是一个化学反应式,二氧化碳+水+太阳能变成氧气+化学燃料。这是纳米材料在能源方面的重要应用。

而杨培东在“人造光合作用”上实现了跨时代的突破,可以说将彻底改变目前能源存在情况。

杨培东团队构建了一套由纳米线和细菌组成的独特系统。该系统可捕捉到到尚未进入空气中的二氧化碳。这一过程模仿自然界的光合作用。在自然界中,植物利用太阳能将二氧化碳和水转化成碳水化合物。不过,人工光合作用作用的想法则将二氧化碳和水转换为醋酸酯(acetate),后者是今天很多生物合成反应的基础。

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杨培东的论文

该技术的关键之一S. ovate细菌,S. ovate是一种将CO2还原成醋酸乙烯的有效催化剂,醋酸乙烯是一种广泛应用于各种化学品生产的中间体。而醋酸能用于生产各种化工品,包括可与汽油相媲美的燃料——丁醇。

也就是说,杨培东的这套人工光合作用的独特系统,可以把二氧化碳通过化学反应变成各种各样的化学品,像汽油、高分子、制药、燃料、肥料、商用化学品等。


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CdS-细菌光合作用原理示意图


整个过程当中用的能源是太阳能,整个人工光合作用所做的体系就是一步到位,太阳能储存到化学键当中,而且只要能源转换效率到位就可以产生源源不断的能源、产品供给给人类使用。

说到这里,你应该明白了杨培东的这项成果具有多么重大的意义。

人工光合作用系统成功的关键在于光俘获效率与纳米线/细菌杂化技术产生的催化活性相分离。在近似自然阳光照射200小时的环境下,杨培东团队实现的太阳能转化率为0.38%,这与自然界(光合作用)叶子的转化率相同。

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由醋酸乙烯产生的目标化工产品的量也被测定:26%丁醇(与汽油相当的燃料)、25%的青蒿素前体紫穗槐二烯(抗疟疾药物青蒿素的前体)、52%的可再生生物降解塑料PHB。

但是杨培东并不满意,杨培东认为绿色植物的能量转换效率非常低,人工光合作用要学习大自然,但效率方面要进行提升,这样才能成为将来可用的可再生能源。

提高人工光合作用的效率需要找到合适的催化剂,在第一代人工光合作用体系当中用的生物催化剂在稳定性方面还存在一些问题。

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催化剂不理想,杨培东决定使用涉及到纳米材料的全合成无机催化剂,提高人工光合作用的效率和稳定性。

通过做铜的纳米科技做二氧化碳的还原,催化的机理方面完全是无机体系,使用太阳能,用半导体纳米导线做光吸收,用金属的纳米粒子做催化,人工用全合成的催化剂来完成。

杨培东预计从太阳能到化学能转化也能够达到3%-4%,将比大自然的转化率为0.38%高出整整十倍,这个过程当中,二氧化碳能够变成乙烯、乙醇或者是丙烯,这样一个过程。整个二氧化碳还原了,把它储存到化学键当中。

杨培东的疯狂计划:用“人工光合作用”实现人类“火星移民”

目前杨培东的人工光合作用体系已经实现以一种经济上划算的方式能够使转化效率达到10%,目前在“生物催化剂”和“固态催化剂”两个方面同时进行进一步研究,以解决稳定性的问题。从而将其实现商业化。

在杨培东的构想里将来加油站可以用人工光合作用直接从二氧化碳转化成汽油,用的就是太阳能。而杨培东最大的计划,就是通过人工光合作用实现人类移民火星计划,将火星变成人类的后花园。

因为火星96%都是二氧化碳,并不适合人类居住,只有通过把火星改造成适宜人类居住的环境才能适宜人类居住。而人工光合作用是最好的方式。

火星96%都是二氧化碳,所以火星上面做的人工光合作用比地球上面做容易的多,因为大部分的大气都是二氧化碳,这样就可以通过人工光合作用去实现绿植的栽培,而人工光合作用的二氧化碳也可以生产燃料、化学品,

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生成硅纳米线的芯片

而且火星除去二氧化碳之外剩下的都是氮气。氮气固定下来可以做肥料。如果整个人工光合作用体系应用到二氧化碳跟氮气固定下来的话,解决了化学品问题,也解决了能源问题,也解决了将来要用肥料在外太空种植,这就变成了一个可循环的过程。

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杨培东唯一担心的问题是水,目前研究发现火星在极地处有水,这至少解决了杨培东的顾虑。

目前杨培东已经和美国宇航局合作,尝试把火星上面的二氧化碳跟氮气转化为人类所需要的化学品跟能源。

杨培东的疯狂计划:用“人工光合作用”实现人类“火星移民”

30年以后,人类要登陆到火星上面去,要解决太空船问题,要解决人类需要的能源、化学品、肥料问题,各种各样的事情,杨培东认为人工光合作用一定会起到作用。

未来已来,杨培东的疯狂计划还在继续,在接下来的十几年后,杨培东的人工光合作用技术将会开始应用于我们的现实生活,火星成为我们的后花园也会在不久的将来实现,我们在见证时代。

杨培东的疯狂计划:用“人工光合作用”实现人类“火星移民”

有个思想家叫爱默生,他说了这么一句话:不要去走别人走过的老路,要在还没有路的地方给别人趟出一条道来。所以当时我们做的这一件事情,就是给别人趟出了一条道,这里头就是一个原创精神。如果我们把整个科研过程看成是零到一百的过程,那么这个从无到有,从零到一的过程是非常重要的。从零到一,这是个原创过程,也是一个产生新的知识的过程,也就是说这个过程很多东西是要进课本的。然后接下来就是譬如说从一到九十九的过程,是一个不断优化的过程。九十九到一百,另外一个非常关键的过程,这个阶段是你真正有了看得见、摸得着的产品,产业化了,能够应用到各种各样的地方去了,这就转化成生产力了。

——杨培东

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Student Focused. Land Grant. Research University.

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